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科研进展 | 北大要茂盛团队提出“呼气指纹”疾病早筛新范式

发布日期:2026-07-07





传统疾病筛查依赖蛋白质标志物或影像学手段,但往往存在灵敏度不足、有创操作以及难以发现极早期病变等问题。许多疾病一旦确诊已错过最佳干预时机,导致治疗难度和死亡率上升。




最近北京大学要茂盛教授团队在《Medical Review》上发表展望论文,阐述了利用人体呼出气体中的挥发性有机物(VOCs)、一氧化氮(NO)等气态生物标志物进行疾病早期筛查和环境毒性监测的思路,并提出将人工智能(AI)与呼气生物标志物相结合,构建特定疾病的“指纹图谱”,实现无创、快速的健康预警以及环境空气毒性的实时探测。

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图 1 呼出气筛查疾病的示意图



从血液到呼出气:一场诊断范式的转变


而人体呼出的气体中,蕴藏着大量来自新陈代谢过程的生化信号。这些内源性气体分子通过肺泡气血交换释放到体外,其组成和浓度的变化能够比临床症状更早反映体内的病理改变。

“呼气检测的本质,是利用人体自身的‘化学语言’来解读健康状态。”论文指出,就像烟雾报警器一样,呼气检测有望能成为人体健康的“烟雾报警器”。



AI赋能:“呼气指纹”让疾病无处遁形


文章指出,未来一次呼气测试可以同时获得数十种甚至上百种气体的浓度信息,构成独特的“指纹图谱”。借助人工智能模型进行模式识别和分类,有望实现对多种疾病如病原体感染、慢阻肺、哮喘、肺癌、阿尔茨海默病等的快速筛查。

这一思路已在实践中得到尝试。2021年,北大要茂盛教授团队率先开发了基于呼气VOCs的新冠肺炎筛查方案,能够高准确率地区分新冠肺炎患者、非新冠呼吸道感染者与健康人群。2022年,美国FDA首次紧急授权了一款基于呼气检测的新冠诊断设备,标志着“呼气测病”技术商业化的重要里程碑。

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图 2 要茂盛团队研发的呼出气筛查疾病的原理样机



不只是看病:利用呼出气还能“感知”空气污染


文章还指出呼出气标志物的另一重要价值——环境监测。要茂盛团队此前的研究表明,健康人在清洁天气下呼气成分保持稳定,但在急性雾霾暴露后,包括异戊二烯、丙醇在内的六种VOCs发生显著变化,反映出机体氧化应激和炎症反应水平。

更为直观的是,团队开发的基于大鼠呼气的空气毒性实时监测系统,已成功应用于全国13个城市的空气毒性评估。这意味着,呼出的气体不仅能查出得了什么病,还能“告诉”你周围的环境是否安全。



从实验室到临床:仍需跨学科协同攻关


尽管前景广阔,但呼气检测技术走向大规模临床应用仍面临挑战。个体差异大、数据质量参差不齐、传感器稳定性不足,以及饮食、吸烟、药物等干扰因素的标准化控制,都是亟待解决的问题。

文章呼吁加强政策支持、跨学科研究投入以及医学界与资本市场的多部门协作。文章指出,未来,随着AI与呼气技术的深度融合,当前的医疗体系有望从“治疗疾病”转向“预测预防”,真正实现人人可及的早期健康预警。


    目前,文章以《Gaseous biomarkers speak medical conditions》为题已经在线发表在《Medical Review》:

https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/mr-2026-0033/html。论文第一作者为北京大学环境科学与工程学院博士生朱晨宇通讯作者为北京大学要茂盛教授。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(22221004)、广州国家实验室(GZNL2024A01028)等的支持。




Medical Review》

是教育部主管、北京大学主办、与De Gruyter合作出版的同行评议开放获取(OA)英文医学综述期刊,2021年正式创刊,由詹启敏院士任主编、韩启德院士任荣誉主编,顾问委员会包括屠呦呦和钟南山等,编委会汇聚国内外临床医学、基础医学及交叉学科领域的顶尖专家学者,聚焦刊登高质量综述、观点及前沿评述,目前已入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。